Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
V průmyslu je často třeba měřit v nepříliš ideálním prostředí. Prach, špína a olej jsou naprosto běžnou součástí některých výrobních hal a ne vždy je možné vytvořit čisté a bezprašné prostředí, vyžadované např. v prostorech elektrotechnických montáží. Tyto a další ztížené podmínky, jako je např. vysoká teplota či tlak, pravděpodobně zaměstnávají konstruktéry měřicích zařízení v každé průmyslové firmě. Tento článek představuje snímače vířivých proudů, které vynikají odolností proti těmto vlivům, a to při zachování velmi dobré přesnosti měření.
Snímače vzdálenosti pracující na principu vířivých proudů nejsou žádnou novinkou a v nabídce firmy Micro-Epsilon je v kategorii eddyNCDT zájemci nacházejí již mnoho let. Přesnosti těchto systémů se pohybují v řádech desetin procenta rozsahu a měřicí rozsahy jsou větší než např. u snímačů kapacitních. Vždy je však nutné měřit proti vodivému materiálu, typicky kovu. Systém se skládá z řídicí jednotky, senzoru a kabelu. Vířivé proudy projdou i přes prach či olej. Jak přesně tyto snímače pracují?
Fyzikální princip
Snímač tvoří cívka, jíž protéká střídavý proud a která indukuje primární elektromagnetické pole. Toto primární pole vytváří v elektricky vodivém materiálu vířivé proudy. Ty indukují sekundární elektromagnetické pole na vodivém cíli, které zpětně ovlivňuje pole primární a tím i impedanci cívky (obr. 1). Míra ovlivnění závisí na vzdálenosti cíle od snímače, a tak lze změnu impedance na výstupu interpretovat jako změnu vzdálenosti. Převedeno na matematický vzorec to vypadá takto:
Rovnice 1
kde:
f0 je řídicí frekvence,
L indukce cívky,
C kapacita.
Kapacita je částečně dána řídicí jednotkou snímače, ale částečně ji ovlivňuje i kabel vedoucí od senzoru. To dává uživateli prostor k přizpůsobení snímače na míru dané úloze, a také proto jich firma Micro-Epsilon za dobu výroby vyvinula již přes 400 typů.
Kalibrace na konkrétní cíl
Dosáhnout velké přesnosti v náročném prostředí a při poměrně velkém měřicím rozsahu s ohledem na fyzikální princip lze jen díky důkladné kalibraci (snímače mají katalogový rozsah až 80 mm, typicky se ale uživatelé pohybují do 10 mm od měřeného cíle). Snímače eddyNCDT se u systémů určených pro měření proti feromagnetickým materiálům standardně kalibrují s materiálem St 37-2 (konstrukční ocel DIN 1.0037; EN S235JR) a u systémů pro měření proti nemagnetickým kovům s materiálem AlCuMgPb (hliníková slitina DIN 3.1645; EN AW-AlCu4PbMgMn). Pro měření proti materiálu s jinou specifikací nebo předmětů speciálních tvarů je možné snímače kalibrovat přímo v laboratořích Micro-Epsilon – zákazník pošle konkrétní vzorek a snímač bude kalibrován přímo pro něj. U vybraných řad je možné snímače kalibrovat v provozních podmínkách, tzv. field calibration. V závislosti na možnostech řídicí jednotky lze snímače kalibrovat ve třech nebo pěti bodech. Spolu s kalibrací se nastavuje také teplotní kompenzace. Díky aktivní teplotní kompenzaci v rozsahu teplot od –40 do +200 °C (i více) je měření při změnách teploty jedno z nejstabilnějších.
Výkonný měřicí systém eddyNCDT 3300
Nejvýkonnějším měřicím systémem na principu vířivých proudů v nabídce firmy Micro-Epsilon je eddyNCDT 3300. Díky výběru senzorů s měřicími rozsahy od 0,4 po 80 mm, velkým rozlišením a vynikající linearitou je ideální pro průmyslové úlohy velmi náročné na přesnost. Systém má robustní řídicí jednotku s displejem. Dosahuje frekvence měření až 100 kHz, a proto jej lze v kombinaci s miniaturními senzory odolnými proti tlaku použít i pro zkušební měření ve spalovacích motorech.
Novinka eddyNCDT 3060 a 3070
Typy eddyNCDT 306x (obr. 2) a 307x jsou vybaveny kompaktní řídicí jednotkou bez displeje a jsou vhodné pro integraci do strojů a výrobních linek. Řídicí jednotky mají vlastní sortiment senzorů s rozsahem od 1 do 8 mm, ale díky kalibraci je možné k jednotce eddyNCDT 3060 či 3070 použít i senzory eddyNCDT 3300 – sortiment je tedy opravdu variabilní. Přesností se tyto měřicí systémy blíží systému eddyNCDT 3300 a mají vynikající poměr výkonu k ceně.
Kompaktní eddyNCDT 3001 a 3005
Snímače produktové řady eddyNCDT 3001 a 3005 mají díky integrované řídicí jednotce nejmenší rozměry (obr. 3). Používají se tam, kde není dostatek místa pro instalaci. Jsou odolné, přesné a plní svou funkci za dobrou cenu. Nemají žádná pokročilá rozhraní, mají analogový výstup a jsou ideální pro použití ve výrobních strojích, kde je třeba přesně měřit a zároveň odolat ztíženým podmínkám prostředí (obrábění, svařování).
Měření rychlosti otáček turbodmychadel
Vířivé proudy se využívají nejen k měření vzdálenosti. Snímače z kategorie turboSPEED DZ140 (obr. 4) měří rychlost otáčení turbodmychadla. Na snímači se nastaví počet lopatek a zaznamenává se pouze pohyb lopatky kolem snímače. Výpočtem z doby měření a počtu lopatek se určí úhlová rychlost v otáčkách za minutu. Velká přesnost snímačů tady není využita, ale využívá se vysoká odolnost proti oleji, nečistotám, vibracím a teplotám až +285 °C. Rozsah otáček je od 200 do 400 000 min–1.
Široká škála možností využití
Snímače vířivých proudů od společnosti Micro-Epsilon jsou využívány nejen k měření různých stavů v motorech či v obráběcích strojích. Měří i zavírání dveří a podvozku v letadlech, stejně jako polohy hřídelí ve větrných elektrárnách nebo polohují zrcadla teleskopů. Škála možností využití je opravdu široká.
(MICRO-EPSILON Czech Republic, spol. s r. o.)
Obr. 1. Schéma principu měření vířivými proudy
Obr. 2. Snímač eddyNCDT 306x v úloze měření pozice obrobku na brusce
Obr. 3. Snímače řady eddyNCDT 3001 a 3005 mají díky integrované řídicí jednotce nejmenší rozměry
Obr. 4. Snímače turboSPEED DZ140 měří rychlost otáčení turbodmychadla